本文要點(diǎn)：

· “諧波失真”通常表示在時(shí)域中觀(guān)察到的波形失真。
· 諧波失真可從功率譜或時(shí)域波形中觀(guān)察到，有多種表現形式。
· 不同形式的非線(xiàn)性會(huì )產(chǎn)生不同類(lèi)型的諧波失真。

任何模擬信號只要存在一定程度的非線(xiàn)性，都會(huì )產(chǎn)生諧波失真。模擬信號失真時(shí)，信號在時(shí)域中的外觀(guān)會(huì )發(fā)生變化，表現為波形壓縮或完全偏移。諧波模擬信號中的諧波失真已是老生常談，但調制信號或方波/鋸齒波中也明顯存在各類(lèi)諧波失真，其中一個(gè)常見(jiàn)的例子是功率放大器，它們在運行時(shí)通常接近飽和點(diǎn)。

諧波失真對信號的影響取決于產(chǎn)生失真的元件，甚至是信號的測量方式。那么問(wèn)題來(lái)了，如何厘清信號中諧波失真的類(lèi)型？有沒(méi)有方法直接測量或計算？本文將舉例介紹不同類(lèi)型的諧波失真，以及產(chǎn)生的原因。

諧波失真類(lèi)型

一般來(lái)說(shuō)，通過(guò)觀(guān)察波形，可以發(fā)現五種類(lèi)型的諧波失真：

1. 振幅失真
2. 頻率失真
3. 相位失真
4. 互調失真
5. 交叉失真

除了非線(xiàn)性產(chǎn)生的非線(xiàn)性失真外，上述類(lèi)型的諧波失真只出現在寬帶信號或離散頻率相加的信號上。

1. 振幅失真與頻率失真

這兩個(gè)術(shù)語(yǔ)有時(shí)會(huì )互相替代，但一般所指并非同類(lèi)。二者在時(shí)域上看似相似，但在頻域上卻完全不同。在時(shí)域測量中，振幅失真與頻率失真區別如下：

振幅失真：當電路或設備產(chǎn)生的輸出信號的幅值是輸入幅值的非線(xiàn)性函數時(shí)，就會(huì )出現這種情況。振幅失真是由非線(xiàn)性引起的，可以在諧波信號或寬帶信號中觀(guān)察到。這種現象有時(shí)被稱(chēng)為削波失真，因為它發(fā)生在飽和器件（如放大器）中。

由于飽和，振幅失真通常表現為削波

頻率失真：當電路或設備導致輸入信號中不同頻率器件的電壓/電流發(fā)生不同程度的變化時(shí)，就會(huì )出現頻率失真。頻率失真只能在寬帶信號中觀(guān)察到。當伯德圖的幅值為非線(xiàn)性時(shí)，濾波器通常會(huì )出現頻率失真。

伯德圖中幅值曲線(xiàn)的形狀會(huì )導致寬帶信號中出現頻率失真

在實(shí)際器件中，振幅失真可能只在特定頻率范圍內產(chǎn)生；為了加以區分，這種現象可稱(chēng)為“非線(xiàn)性頻率失真”，此時(shí)還應該說(shuō)明非線(xiàn)性在實(shí)際器件和電路中的重要性。

2. 相位失真

當濾波器的傳遞函數（伯德圖）的相位是頻率的非線(xiàn)性函數時(shí)，濾波器就會(huì )產(chǎn)生相位失真。此時(shí)輸出波形會(huì )出現失真，但不一定是因為波形出現了削波或其他幅值效應，而是因為群速度和相速度不是恒定值，因此組成信號的不同頻率會(huì )以不同的速度傳播。

伯德圖相位曲線(xiàn)中的非線(xiàn)性區域會(huì )因色散而產(chǎn)生相位失真

3. 互調失真

當頻率調制信號或其他寬帶信號饋入非線(xiàn)性器件時(shí)，會(huì )出現互調失真。具體來(lái)講，當輸入接近飽和狀態(tài)時(shí)，互調失真就會(huì )常見(jiàn)于功率放大器，此時(shí)，構成輸入信號的離散頻率相加會(huì )產(chǎn)生和/差諧波。

最突出的一組和/差諧波是三階互調。這些諧波最有可能出現在放大器的線(xiàn)性輸入區，且最接近輸入信號功率譜的頻帶邊緣。在時(shí)域中，互調失真表現為頻率略高于輸入信號載波頻率的低振幅噪聲。

4. 交叉失真

在推挽式晶體管放大器中，特別是在使用三極管（Bipolar Junction Transistor，BJT）的放大器中，信號可能會(huì )出現交叉失真。當一對晶體管中有一個(gè)進(jìn)入截止區時(shí)，輸出信號會(huì )短暫降至零，此時(shí)就會(huì )發(fā)生交叉失真。實(shí)際上，當輸入信號處于低電平時(shí)，放大器中的兩個(gè)晶體管都沒(méi)有開(kāi)啟，因此即使輸入信號不為零，輸出信號也為零。下面是一個(gè)簡(jiǎn)單的時(shí)域示例。

推挽（B 類(lèi)）放大器中的交叉失真

如何發(fā)現諧波失真

在測量或仿真中很容易發(fā)現上述類(lèi)型的諧波失真：只需比較相關(guān)器件或電路的輸入和輸出信號即可。如果兩者在時(shí)域和頻域上不是線(xiàn)性函數關(guān)系，則說(shuō)明存在某種失真。在設計階段，仿真工具可以讓電路中可能出現的諧波失真問(wèn)題無(wú)處遁形。

在設計低失真的真實(shí)器件系統時(shí)，Cadence 的系統分析工具集可以幫助設計人員發(fā)現信號中的各類(lèi)諧波失真，從而采取有效措施。

PSpice 仿真工具可用于生成所需的仿真，識別和優(yōu)化低諧波失真電路，并利用內置建模應用對實(shí)際電路進(jìn)行仿真。